帘式涂布中幕帘稳定性的影响因素

帘式涂布中幕帘稳定性的影响因素
摘要: 综述了帘式涂布的原理、影响幕帘稳定性的主要因素及帘式涂布在生产上应用的参数范围,
给出无碳复写纸CB纸和热敏纸的应用实例, 并讨论了如何确定操作窗口及影响
操作窗口的因素。

关键词: 帘式涂布; 幕帘稳定性; 无碳复写纸CB纸; 热敏纸; 操作窗口帘式涂布是采用预计量法进行精确涂布的一种方法。

其特点是自由下落的液体膜(幕帘) 对涂布的原纸产生冲击, 在高速条件下对表面不够平整的纸页施涂一层液体薄膜。

与纸幅垂直移动时的速度相比,幕帘的冲击速度相当高, 而高冲击速度可以排除纸幅上方的空气, 使纸机可在高速下运行。

由于这种非接触式涂布法对原纸没有施加任何机械应力, 因此减少了纸幅的断裂并提供了良好的涂
料覆盖性, 消除了刮痕和条纹等纸病, 为提高生产效率和减少涂布量提供了机会。

在帘式涂布过程中, 由于下落幕帘的稳定性受涂料自身特性的制约及外界
的干扰, 因此帘式涂布的应用受到了限制。

帘式涂布源于相纸生产, 直到1995
年BMB公司才将这种方法进一步应用于PSA 涂布,现在帘式涂布已经作为一种新
的涂布法应用于特种纸生产。

2001 年Koehler公司新建了一条车速为1500m /min 采用帘式涂布技术的热敏纸生产线; 国内广州冠豪高新技术股份有限公司也将
其应用于无碳复写纸和热敏纸的生产[ 1 ] 。

但由于帘式涂布中形成的幕帘不够稳定, 要应用在主流造纸领域特别是涂布印刷纸生产仍很困难。

因此优化幕帘的稳定性有利于扩大帘式涂布的应用范围, 对帘式涂布应用于主流造纸领域具有
积极作用。

1 帘式涂布的原理
如图1所示, 帘式涂布过程可分为幕帘形成区、幕帘流动区、幕帘冲击区。

幕帘形成区是涂料从缝隙模头料口中流出形成短距离幕帘(约50 ～ 250mm[ 2 ] ) 的过程。

在幕帘形成区由于静止接触线处的作用力( 重力、惯性力、黏着力和毛细管力) 会导致缝隙口附近应力分布不均匀, 造成幕帘有时偏向缝隙模头料口
的下端, 这就是所谓的“茶壶效应”。

“茶壶效应”与模具材料不一致、表面粗糙度引起的前进和后退接触角之间的不同有关[ 3 ] (液固界面取代固气界面后形成的接触角叫做前进角; 气固界面取代固液界面后形成的接触角叫做后退
角) 。

幕帘流动区主要的流动变量是幕帘速度, 幕帘速度是影响自由下落幕帘稳定性的最大因素。

在幕帘冲击区, 幕帘冲击到移动纸幅时所形成区域的主要物理性质决定了操作窗口, 起决定性的物理参数主要有雷诺系数Re、纸幅速度与幕帘速度的比值及毛细管数Ca[ 2 ] 。

Re =ρQ /μ (1)
Ca =μV c /σ (2)
式中ρ———涂料密度, g/ cm3
μ———涂料黏度, mPa·s
Q———缝隙料口单位宽度体积流量, cm3 /min·m
σ———涂料表面张力, mN /m
V c ———幕帘速度, m /min
图1 帘式涂布过程示意图
2 幕帘稳定性的影响因素
幕帘稳定性的影响因素主要是指影响幕帘形成、造成幕帘断裂、致使涂布过程无法正常进行的因素, 其主要体现在气泡及气流层的干扰。

根据B rown的流体理论[ 4 ] , 只有当韦伯数W e > 2 时, 幕帘才会稳定。

W e =ρH c V c2σ=ρV c Qσ=ρ 2gHH w Uσ> 2 (3)
式中H c ———幕帘厚度, μm
H w ———涂层厚度, μm
U———纸幅速度, m /min
H———缝隙模头料口距纸幅距离, cm
结合式(1) ～式(3)可知, 要使涂布过程稳定运行, 必须调整好表面张力σ、幕帘速度V c、纸幅速度U、模头距纸幅的距离H及涂料黏度μ。

2．1表面张力
表面张力是指液体与气体相接触时, 会形成一个表面层, 在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力, 它能使液面自动收缩。

表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。

根据式( 3) , 在一定情况, 涂料的表面张力越小越好。

Dr wolfgang[ 5 ]指出涂料的表面张力最好低至30 mN /m, 但这在实际生产中很难达到, 因为水的表面张力为70 mN /m, 因此需要向涂料中加入表面活性剂降低涂料的表面活性。

此外, 涂料的表面活性大, 涂料中混入的空气不易除去。

PeterMSchweizer[ 6 ]在分析干扰传播时(见图2)引用了拥有自由边缘气泡的干扰速度(V d ) , 且V d越小越好。

由式( 4)中V d 与涂料表面张力的关系可知, 应尽可能降低涂料表面张力。

该分析中指出涂料的表面张力取决于幕帘下落的时间和表面活性剂的浓度, 认为低表面张力需要较长的表面作用时间和较高的表面活性剂浓度, 而涂料从缝隙模头料口到达纸幅的时间要小于0.3 s, 这要求表面
活性剂有良好的扩散性能。

图2 干扰传播示意图
V d =2σρH c (4)
涂料的表面活性过大会产生一系列问题, 如涂料中的气泡不易除去, 幕帘产生边缘效应(图3) , 幕帘厚薄不均匀等。

故而应加入表面活性剂来降低表面张力, 同时也可以优化涂布设备。

图3 边缘效应引起的颈缩现象
2.2幕帘速度V c 与涂布速度U
在帘式涂布中, 幕帘下落会对纸幅产生冲击, 然后在纸幅作用下加速并随
纸幅运行, 直至同纸幅速度相同时, 涂料沉积于纸幅上形成涂层。

故而, 幕帘速度V c 和涂布速度U对幕帘的稳定性都起着非常重要的作用, 式(3)也很好的说明了这一点。

一方面, V c 要足够大以冲击纸幅排除纸幅上方的空气, 同时润湿纸幅。

Drwolfgang[ 5 ]指出幕帘速度取决于涂料的黏度和表面张力, 涂料流量最小应满足6000 cm3 / (min·m)。

另一方面, V c 不能太大, 以免形成踵部( heel) 造成幕帘不稳定, 之所以称其为踵部, 是因为冲击区的剖面看上去像一只脚(见图4) 。

幕帘速度是由涂料下落的高度(H)决定的, 高度一般在5～25 cm。

涂布速度U一般要大于幕帘速度V c , 但又不能太大, 否则会在纸幅和幕帘之间形成气流层产生漏涂现象,甚至使幕帘断裂。

当涂布速度U 小于幕帘速度V c时, 就会形成踵部。

图5[ 8 ]描述了当幕帘下落的高度为20 cm时, 不同涂布速度U 的幕帘轨迹图, 从图中可以清楚地看到随着速度的增加, 幕帘同纸幅之间的V形空气袋会变大, 这对幕帘的稳定性是不利的。

而图6 描绘了当速度一定时, 随高度的增加V形空气袋将会减小。

结合实际, 将幕帘速度同涂布速度调整至适当是必要的。

一方面幕帘速度要产生足够大的冲击力以除去涂料与纸幅之间的空气, 同时也要避免流速过大产生踵部; 另一方面, 要尽量提高涂布速度满足高速生产的要求, 同时要避免气流层的产生以保证涂布的正常运行。

只有充分利用涂布速度和幕帘冲击速度的比
值, 才能使幕帘稳定, 同时使涂层更薄。

广州冠豪高新技术股份有限公司在中试时采用的幕帘高度是15 cm, 涂布速度分别是700 m /min和1000 m /min, 从其无碳复写纸CB 纸的中试结果可以看出, 涂布速度的增加会使涂布量有一定的降低[ 1 ] 。

2.3涂料的黏度
黏度是影响雷诺系数Re和毛细管数Ca 的重要因素, 换句话说, 黏度影响流体的特性。

一方面黏度过大会降低幕帘的加速度, 而且增加幕帘收缩的可能性。

有人认为真正影响涂料加速度的是涂料的弹性[ 9 ] 。

此外黏度增加会延长动态润湿时间, 这为气流层的形成提供了可能, 从而影响涂布速度的提高及幕帘的
稳定性[ 10211 ] 。

另一方面, 黏度过低, 可能形成踵部。

故而, 黏度的范围要根据实际情况确定,Hadj Benkreira[ 11 ] 认为, 涂料黏度最好控制在20 ～1000 mPa·s, 当黏度大于某一临界值时, 在平滑纸幅上达到的最大涂布速度要比在粗糙纸幅上达到的速度小, 而当黏度在此临界值以下时, 结果相反。

故在实际生产或实验过程中, 可以根据黏度的大小选择不同粗糙度的纸幅, 同样也可
以根据纸幅的粗糙度调整涂料的黏度。

涂料的黏度过低在帘式涂布过程中容易形成踵部, 而涂料的黏度过高会影
响幕帘的形成及稳定性。

John A Taylor[ 9 ]在研究中将涂料的表面张力及黏度的综合性质视为伸展性, 通过确定涂料的伸展性及流变性确定其合适的表面张
力及黏度。

例如, 通过观察导杆附近幕帘的厚度观察涂料的伸展性。

一般, 涂料的黏度越大, 涂料的表面张力越大, 导杆附近幕帘与幕帘中间的厚度差就越大。

广州冠豪高新技术股份有限公司在无碳复写纸CB纸的中试中, 配用涂料在100 r /min时测得的黏度为164 mPa·s, 而热敏纸配用涂料在100 r/min时测得的黏度为564 mPa·s。

中试的结果表明幕帘两边不会出现涂料的堆积, 涂布运转正常[ 1 ] 。

2.4涂料的密度
涂料密度主要影响幕帘对纸幅的冲量, 涂料密度有利于幕帘排除纸幅上方
的空气[ 12 ] 。

由式( 3 )与式( 4 ) 可知, W e > 2 , 且V d 要尽可能的小,
所以适当提高涂料密度是有好处的, 而涂料密度主要由涂料的固含量决定, 由
于涂料的固含量会影响到涂料的黏度及表面张力等, 在实际生产过程中, 往往
要先注意涂料的表面张力和黏度, 在其满足要求的基础上适当增加固含量是可
行的。

广州冠豪高新技术股份有限公司无碳复写纸CB 纸配用涂料的固含量为3718% , 而热敏纸涂料的固含量为3810%[ 1 ] 。

2.5涂料中气泡的影响
原则上, 涂料中最好不含气泡。

大的气泡能够使幕帘断裂, 而小的气泡也会在干燥后形成针眼等纸病(见图7) [ 13 ] 。

一般, 比缝隙模头料口宽度大的气泡必须去除, 否则将使模头处幕帘断裂或在幕帘接触纸幅时出现漏涂现象。

因此, 应尽量去除涂料中的气泡, 一般采用真空除气机去除。

3 操作窗口
确定操作窗口有利于形成稳定的幕帘, 是优化幕帘稳定性的一个重要步骤。

以Re和纸幅与幕帘速度比(U /V c ) 为参数的操作窗口如图8所示, 操作者可以根据参数变化更好地控制涂布过程[ 13 ] 。

当U /V c和Re都较低时, 形成的幕帘不是垂直向下而是高度弯曲的, 这就是拽拉膜现象, 拽拉膜现象不利于幕帘的稳定。

Re低会使幕帘收缩, 而且会形成气流层,使幕帘破裂, 而Re过高又会导致形成踵部。

随着U /V c的增加, 操作窗口会逐渐变窄, 当U /V c 超过一定数值时就会产生和泥现象[ 13 ] (所谓的和泥现象就是既有踵部形成而又夹带空气的一种不稳定状态) ,因此, 在帘式涂布过程中控制好U /V c 是十分重要的。

对于涂料而言, 要通过改变表面活性剂降低表面张力; 黏度可以通过提高或降低涂料的固含量改变。

4 结语
由于影响幕帘稳定性的关键是涂料中的气泡和幕帘与底幅之间的气流层。

故应加入适当的表面活性剂以降低涂料的表面张力。

其次, 在减少涂料中气泡的基础上, 调整涂料的黏度, 使涂料有好的流体特性,从而调整好流速和涂布速度之间的关系, 避免踵部和夹带空气的发生。

另外缝隙模头的材质与粗糙程度对幕帘稳定性影响也很大, 所以在优化涂料的同时, 应尽可能的优化除气设备, 减少设备对幕帘稳定性的影响。